凝灰岩粉掺和料在西部高海拔严寒地区水电工程中的应用

2022-07-16蒋怀宇李家正林育强

水利规划与设计 2022年8期

蒋怀宇，李杨，陶坤,李家正,林育强

(1.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，四川成都 856200；2.长江水利委员会长江科学院材料与结构研究所，湖北武汉 430010)

西部地区是我国重要的水电能源基地。随着川滇水电工程建设的相继完成，西部地区水电开发速度不断加快，“十四五”规划明确提出“要加快雅鲁藏布江下游的水电工程建设”[1]。但西部地区特别是西藏境内普遍面临混凝土掺和料短缺问题[2]，大量的粉煤灰掺和料需要从甘肃、宁夏、云南和四川等周边省份外购[3]，不仅增加了工程投资和经济成本，长途运输也导致施工进度难以保障。因此，结合地缘性材料的性能与特点，利用当地材料作为混凝土掺和料具显著的经济效益和社会价值，并可减少混凝土制备的碳足迹，提升工程建设的绿色化水平，符合集约型社会的发展策略。

目前，不少学者围绕西部地区储量丰富的天然火山灰材料开展了大量研究[4-5]，其中成果较多的主要是凝灰岩粉掺和料[6-8]。本课题组在前期系统探讨了凝灰岩粉掺和料对水工混凝土宏观性能、微观结构和耐久性能的影响[9]，掌握了掺凝灰岩粉混凝土性能的发展趋势和演化规律，后续又进一步结合实际工程开展现场试验和应用探索，深入考察了凝灰岩粉混凝土的施工性能，明确了现有施工技术和工艺对掺凝灰岩粉混凝土的作用效果，总结这些工作和经验对加快凝灰岩粉掺和料在西部地区的推广应用很有意义，也可为流域其他工程建设提供参考和指导。

1 工程概况

1.1 总体布置与需求

西部某水电站工程位于雅鲁藏布江中游，采用RCC重力坝坝型和坝后式厂房设计，混凝土浇筑总量为332万m3，坝址处控制流域面积为15.74万km2，多年平均流量为1010m3/s，大坝坝顶长113m，最大坝高为124m，总装机容量为660MW。

电站位于高海拔严寒地区，坝址区气候呈明显的“日温差大、气压低、日照强辐射”等高原特征[10]，其中昼夜温差最高可达25℃，每年发生冻融循环天数多达一百余天。混凝土性能要求较高，服役环境比较严酷。

前期原材料调研表明，工程区附近无粉煤灰、矿渣等掺和料供应，需借助青藏铁路从甘肃、宁夏等省份外购，运输距离近2000km，粉煤灰需求得不到有效保障，并且大幅增加了工程投资。因此，需结合工程区附近地缘性材料的性能和特点，使用天然火山灰质凝灰岩粉作为掺和料替代粉煤灰。

1.2 应用情况

选择大坝下游左岸靠边坡的消力池边墙作为凝灰岩粉掺和料应用示范区。混凝土浇筑总量近1.1万m3，最大浇筑面积为965m2，浇筑时间为冬季12月份，混凝土类型包括二级配RCC、三级配RCC和三级配常态混凝土。混凝土的技术指标和掺和料类型见表1。

表1 混凝土技术指标和掺和料类型

2 原材料与配合比

2.1 原材料

为降低混凝土绝热温升和温度裂缝的发生风险，使用中热硅酸盐(P·MH)水泥制备混凝土，水泥强度等级为42.5级，细度为4.0%，密度为3.12g/cm3，标准稠度用水量为24.1%。水泥性能检测结果见表2。

表2 水泥性能检测结果

使用工程附近的凝灰岩粉作为掺和料替代部分或全部粉煤灰进行试验。凝灰岩块石经开采和破碎后，进一步使用辊磨机对毛料磨细加工。凝灰岩粉火山灰活性试验结果符合要求，岩相分析表明主要由晶屑、岩屑和变质火山灰组成，含有斜长石、辉石、玄武岩和绢云母等物质。化学分析表明凝灰岩粉主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO组成，其中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量超过70%。凝灰岩粉性能检测结果见表3。

为比较凝灰岩粉和粉煤灰对混凝土施工性能的影响，现场同时使用凝灰岩粉和粉煤灰复掺的技术方案。选用的粉煤灰为F类Ⅱ级灰，密度为2.32g/cm3，细度为8.7%，28d龄期的活性指数为80%。粉煤灰性能检测结果见表4。

比较表3和表4中凝灰岩粉、粉煤灰的活性指数可看出，凝灰岩粉的水化活性低于粉煤灰，前者约为后者的86%，这主要与2种材料的形成过程、化学成分、矿物组成、颗粒形貌等性能存在较大差异有关。粉煤灰形成经历了高温煅烧和极冷降温过程，非结晶相和玻璃体含量较高；而凝灰岩粉属天然火山灰材料，形成过程中虽经历了高温阶段，但喷发后又经历了漫长的风化过程，同时含有多孔沸石相组分[7]，使得凝灰岩粉的水化活性较低。

表3 凝灰岩粉性能检测结果

表4 粉煤灰性能检测结果单位:%

2.2 混凝土配合比

混凝土的配合比见表5，凝灰岩粉和粉煤灰采用内掺法等质量取代水泥。二级配RCC的水泥总取代量为50%，其中凝灰岩粉单掺时的掺量为50%，凝灰岩粉和粉煤灰复掺时的掺量均为25%。三级配RCC中的水泥总取代量为62%，其中凝灰岩粉单掺时的掺量为62%，凝灰岩粉和粉煤灰复掺时的掺量分别为32%、30%。

表5 混凝土配合比

现场控制RCC的VC值为1～3s，常态混凝土坍落度为120～140mm。RCC的萘系减水剂，减水率为22.3%；常态混凝土使用的减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为32.5%。变态混凝土加浆量为5.3%，二级配RCC(技术标号R9020W8F200)加浆的水灰比为0.5，三级配RCC(技术标号R9015W6F100)加浆的水灰比为0.55。现场实测混凝土出机口的含气量为4.8%～5.4%。

3 混凝土施工和质量情况

3.1 施工方法和工艺

3.1.1入仓和平仓方法

RCC采用后退法进行卸料，按照一次摊铺一次碾压的方式施工。同时为防止卸料过程中发生骨料分离，运输车在拌合站采用两点式接料，并在仓面采用两点式卸料，如图1所示。两点式卸料要求自卸车在卸料完成50%后，保持车斗门打开的情况下同向前行2～4m后再次卸料，控制每层起料堆位置距端模板5～6m，距侧模板1.5m。水泥层砂浆分层摊铺，每施工一个条带，摊铺一个条带，与模板接触部位则采用人工铺料。

图1 RCC的接料和卸料

采用平层通仓浇筑的方法进行施工，沿上下游岸方向垂直于坝轴线进行铺料，控制平仓厚度为34±2cm，压实厚度为30cm。铺料条带长度基本在20m左右后进行平仓，条带卸料结束后，人工将料堆周边集中的粗骨料分散到料堆顶部，平仓机再将混凝土拌合物向端头模板侧推平达到平仓厚度，最后掉头开始平仓，并保持条带前部略低。

平仓过程始终按照一次铺料、一次碾压的方式进行，遵循先摊铺两边、后摊铺中间的原则，并保证平仓后的场面基本平整，无显著坑洼。靠近模板、异形结构区或小碾无法碾压的部位，采用浇筑变态混凝土(局部人工加浆)的方法进行施工。

3.1.2碾压工艺和质量

RCC施工程序如图2所示。前期现场的工艺试验表明，凝灰岩粉单掺或凝灰岩粉和粉煤灰复掺的二级配RCC、三级配RCC可采用相同的碾压工艺，按照“2遍无振碾压+6遍有振碾压+2遍无振碾压”的方式施工。碾压方向平行于铺筑条，行走速度为1.0～1.5km/h，走偏误差控制在10cm以内，相邻碾压条带必须重叠碾压10～20cm。同一条带分段碾压时，接头部位应重叠碾压1～2m。

图2 RCC施工程序

施工中对于2条碾压带因碾压作业形成的高差，采用无振慢速碾压1—2遍的方式进行处理；对于靠近模板、异形结构等无法碾压的区域，应优先采用局部人工加浆的方式浇筑变态混凝土，振捣器应垂直按顺序插入混凝土，并插入下层混凝土5～10cm。

RCC相对密实度的检测结果如图3所示。现场按照每碾压100～200m2仓面后，使用核子密度仪对RCC的相对密实度进行检测。整体上，RCC的相对密实度均在98%以上，平均值在99%左右，表明碾压施工质量满足技术要求，也说明现有施工工艺对掺凝灰岩粉RCC仍具有较好的碾压效果。

图3 RCC相对密实度检测结果

混凝土芯样的抗压强度试验结果如图4所示。芯样的直径为φ190mm，高径比为1∶1。试验前先对芯样进行切割、加工和修补，然后浸泡48h至吸水饱和后开始试验。从图4中可已看出，单掺凝灰岩粉RCC及复掺凝灰岩粉和粉煤灰RCC的芯样抗压强度均能满足技术要求，并且复掺凝灰岩粉和粉煤灰RCC的芯样抗压强度高于单掺凝灰岩粉RCC，这与前期室内试验的研究结论相一致[9]。

图4 混凝土芯样的抗压强度

前期研究发现凝灰岩粉活性低于粉煤灰。混凝土芯样的抗压强度试验进一步表明，单掺凝灰岩粉RCC的后期强度增长幅度小于复掺凝灰岩粉和粉煤灰RCC。这一方面与凝灰岩粉和粉煤灰的密度不同有关，相同质量情况下凝灰岩粉的体积小于粉煤灰，导致凝灰岩粉和粉煤灰复掺试验组的胶凝材料体积较多；另一方面也与凝灰岩粉的水化活性低于粉煤灰有关，凝灰岩粉和粉煤灰复掺试验组对混凝土后期性能的改善效果较好，混凝土内部密实程度的提高幅度较大。

3.1.3养护和保温措施

工程位于高海拔严寒地区，年平均气温较低，并且昼夜温度变化明显，施工期环境温度的变化情况如图5所示，最高气温出现在下午14点左右，而晚上24点之后温度降至最低，然后凌晨5点之后温度逐渐上升，昼夜温差近16℃。因此，RCC施工过程中需采取保温措施，并避开低温时段施工。

图5 施工期环境温度的变化情况

结合施工期环境温度的变化情况，当施工中日平均气温连续5d温度在5℃以下，或者气温连续5d稳定在-3℃以下时，按照低温季节施工。同时，混凝土浇筑期间，进一步加强气象预报工作，及时了解雪情和气温情况，减小外界环境对RCC质量造成的不利影响。

前期室内试验观测的掺凝灰岩粉RCC绝热温升情况如图6所示，单掺凝灰岩粉试验组的绝热温升小于单掺粉煤灰试验组及凝灰岩粉与粉煤灰复掺试验组。为观测凝灰岩粉单掺、凝灰岩粉和粉煤灰复掺对RCC温度场分布的影响，应用仓段内共布置12支温度计。温度计在各试验仓段的中心分层布置，埋设时待混凝土浇筑到预定高程平仓压实后，在测定区域开挖深度为20cm的凹槽，然后用混凝土覆盖保护并再次碾压，防止温度计线路受损。

图6 混凝土绝热温升试验结果

为保证混凝土内部温度场的均匀性，钢模板拆除前使用10cm厚的聚苯乙烯板将格栅粘贴密实，钢模板拆除后使用“塑料薄膜+3cm橡塑海绵+彩条布”的方式进行保温，并在白天高温时段进行洒水养护。现场观测表明：单掺凝灰岩粉混凝土、复掺凝灰岩粉和粉煤灰混凝土均未出现开裂现象。

3.2 施工质量分析

3.2.1芯样质量分析

采用钻芯取样的方法对混凝土的内部质量状况进行分析。混凝土芯样照片如图7所示，芯样分别取自二级配凝灰岩粉单掺RCC、二级配凝灰岩粉和粉煤灰复掺RCC，芯样直径为φ200mm。芯样表面光滑、致密，无大的空洞、裂缝等缺陷出现，并且混凝土断口平整，骨料分布均匀，浆体的包裹较好，说明现有施工工艺能够满足掺凝灰岩粉RCC的技术要求。

图7 混凝土芯样的质量情况

各试验组混凝土干密度、湿密度和吸水率的试验结果见表6。试验利用混凝土芯样进行，控制芯样的切割厚度为10cm左右，然后通过多次测量试块的直径和厚度来计算表观体积。从表6中可以看出，同级配情况下RCC的密度和吸水率均高于常态混凝土；而凝灰岩粉单掺RCC、凝灰岩粉和粉煤灰复掺RCC的密度相差不大。

表6 各试验组混凝土的密度和吸水率结果

3.2.2压水试验分析

利用压水试验方法对混凝土的密实情况进行检测，试验结果如图8所示。试验钻孔的直径为φ75mm，长度为10m。钻孔使用水栓塞封闭，每个钻孔分3段进行试验，各试验段的长度分别为3、3、4m，按照钻孔完成一段、压水试验一段的方法进行。压水试验分2级压力进行，第一级压力为0.3MPa，第二级压力为0.6MPa，每级压力下的稳定时间为20min，加载顺序为0→0.3MPa→0.6MPa→0.3MPa→0。由于钻芯过程中会产生泥浆护壁的现象，压水试验前需要先进行洗孔处理，控制洗孔压力为0.5MPa，洗孔时间为10min。

图8 混凝土压水试验结果

从图8中可以看出，各类混凝土的压水试验结果均在0.05Lu以下，显著低于其它工程的检测结果[9-11]，而试验过程中也未见显著的压力下降、流量增大等情况，说明混凝土的抗渗性能较好，密实程度较高。同时，单掺凝灰岩粉混凝土、复掺凝灰岩粉和粉煤灰混凝土的透水率比较接近，说明在现有施工工艺和技术水平的情况下，掺凝灰岩粉混凝土仍可获得较为理想的压实效果，这与室内试验的结论相一致[12]。

RCC层面结合性能一直是工程质量控制的关键指标。现场RCC的仓面厚度为3m，但压水试验结果表明，含层面试验段与不含层面试验段的渗透性能相一致，说明凝灰岩粉对RCC的层面结合性能没有影响，也表明现有施工方法和处理工艺对掺凝灰岩粉RCC也具有较好的作用效果。

实际上，压水试验是根据恒压过程中钻孔内水流流量的变化情况来表征混凝土的抗渗性能，对开放、连通孔隙有较好的效果，但对内部封闭的孔洞则无法表征。同时，试验过程中流量计的电位漂移、水栓塞的封闭效果、水泵的稳压性能等都对结果准确性有影响[13]。因此，现场进一步利用孔内超声的方法研究混凝土内部质量进行研究。

3.2.3孔内超声试验

孔内超声试验利用压水试验的钻孔进行，试验结果见表7，典型的波速分布情况如图9所示。不同类型混凝土的超声波波速基本都分布在3900～4200m/s范围内，平均值均在4100m/s左右。从图9中可以看出，超声波波速的分布较为集中，呈现出“两头少、中间多”的局面，超过85%测点的波速都分布在4000～4200m/s之间，说明混凝土整体的均质性较好，孔洞、酥松、浆骨分布不均匀的情况较少。

图9 超声波波速的分布情况

表7 孔内超声试验结果单位：m/s

混凝土是多组分、多相的复合材料，超声波波速与骨料分布、骨料含量、混凝土含水状态等多种因素有关[14]，不少研究也表明超声波速与混凝土抗压强度之间存在较好的相关关系，利用超声波波速的分布情况可间接表征混凝土的强度分布情况[15]。从表7中可以看出，各试验孔混凝土超声波波速最大值和最小值相差均不超过300m/s，偏差幅度也小于平均值的10%，说明钻孔上下的混凝土强度分布较为均匀。

超声波波速可反应混凝土内部的缺陷情况。根据国内外对大体积混凝土质量的统计资料[16]，超声波波速3000～3600m/s的混凝土有缺陷，波速2100～3000m/s的混凝土质量较为粗劣，而波速超过3940m/s的混凝土质量较好。现场孔内超声试验检测的超声波波速均超过3600m/s，说明混凝土的质量较好，无粗劣或缺陷等情况出现。

通过上述钻芯取样、压水试验以及孔内超声波的研究，表明现有施工方法、碾压工艺、养护措施和保温手段对单掺凝灰岩粉混凝土、复掺凝灰岩粉和粉煤灰混凝土都具有较好的效果，凝灰岩粉作为掺和料单掺或复掺粉煤灰均不会影响RCC、常态混凝土的施工质量。